2002–2016年鼎湖山典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量數(shù)據(jù)集

劉佩伶，張倩媚，劉效東,，劉世忠，褚國偉，張德強，孟澤

1. 華南農(nóng)業(yè)大學，林學與風景園林學院，廣州 510642

2. 中國科學院華南植物園，廣州 510650

數(shù)據(jù)庫(集)基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）組成 數(shù)據(jù)集由 1個數(shù)據(jù)文件組成，數(shù)據(jù)量 8005條，包含用中子儀法測定的馬尾松針葉林、馬尾松針闊葉混交林、季風常綠闊葉林的土壤體積含水量數(shù)據(jù)。

引 言

土壤水分是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的載體，活躍地發(fā)生在地–氣、根–土等界面上，調(diào)節(jié)著森林空間養(yǎng)分和能量的分配格局，進而深刻影響生態(tài)系統(tǒng)結構與功能演變[1-2]。土壤層作為森林生態(tài)系統(tǒng)的主要水分庫，其水分含量的監(jiān)測與研究有助于深入認知森林生態(tài)系統(tǒng)關鍵過程與功能機制[3]，對流域水循環(huán)、水土保持以及流域生態(tài)系統(tǒng)管理有著重要意義。

中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡（China Ecosystem Research Network，CERN）承擔著國家生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、科研和示范任務。長期以來，CERN通過對不同區(qū)域典型生態(tài)系統(tǒng)水、土、氣、生等關鍵要素的長期、定位監(jiān)測，儼然已形成了標準化的系統(tǒng)觀測體系，產(chǎn)生了大量的長期生態(tài)觀測數(shù)據(jù)。完整、一致、可靠的長期觀測數(shù)據(jù)共享，將迎來科學大數(shù)據(jù)新模式，促進科研模式的轉變，提高大數(shù)據(jù)時代科學發(fā)現(xiàn)的能力。土壤水分含量是CERN陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境長期定位觀測的重要指標，土壤水分長期觀測數(shù)據(jù)分析有利于揭示土壤水分動態(tài)規(guī)律及相關科學與實踐問題[4]。

馬尾松針葉林（Pinus massoniana coniferous forest，簡稱馬尾松林）、馬尾松針闊葉混交林（mixed Pinus massoniana/broad-leaved forest，簡稱針闊林）和季風常綠闊葉林（monsoon evergreen broad-leaved forest，簡稱季風林）是鼎湖山國家級自然保護區(qū)內(nèi)分布的典型森林植被類型。依托鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（簡稱鼎湖山站），分別于上述林型內(nèi)設立標準觀測樣地，并開展森林土壤水分含量的長期定位觀測、數(shù)據(jù)匯交、質(zhì)控以及科研與示范工作。本數(shù)據(jù)整理了鼎湖山站2002–2016年馬尾松林、針闊林和季風林3種典型森林類型土壤含水量同步、長期觀測數(shù)據(jù)，以期為深入探究氣候變化與植被覆蓋變化影響下的森林生態(tài)系統(tǒng)結構與功能等相關議題提供本底資料，為該地區(qū)的森林經(jīng)營管理及生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價提供基礎支撐。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集樣地描述

鼎湖山站長期觀測場地依據(jù)典型區(qū)域–觀測場–觀測樣地的基本原則設立，數(shù)據(jù)集中涉及土壤含水量觀測項目的樣地包括輔助觀測場馬尾松林樣地（塘鵝嶺）、站區(qū)調(diào)查點針闊林I號樣地（旱坑）、輔助觀測場針闊林II號樣地（飛天燕）和綜合觀測場季風林樣地（三寶峰）。其中1978年建立于旱坑的針闊混交林I號樣地因路途偏遠，不方便觀測；1999年在上山公路邊重新建立代表鼎湖山演替中期階段的針闊混交林II號樣地。各樣地相關信息介紹在表1–3中。

表1 樣地林型參數(shù)

序號 樣地名稱 輔助觀測場馬尾松林樣地站區(qū)調(diào)查點針闊林I號樣地輔助觀測場針闊林II號樣地綜合觀測場季風林樣地4 林齡/a 50–60 70–80 70–80 ＞400 5 郁閉度/% 70 ＞90 ＞90 ＞95 6 土壤類型 薄中赤紅壤 厚薄赤紅壤 厚薄赤紅壤 水化赤紅壤

表2 樣地土壤理化性質(zhì)[5]

表3 土壤含水量觀測樣方簡介

1.2 觀測儀器設施

采用CERN網(wǎng)絡統(tǒng)一購置并配備的中子儀和中子管儀器設施（CNC503B，北京超能科技公司），人工定期測定各林型各土層土壤體積含水量（%）。

1.3 數(shù)據(jù)來源

鼎湖山站多年來致力于智慧臺站的打造，積極推進野外監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測、采集和傳輸，大大提高了站內(nèi)監(jiān)測數(shù)字化運行的覆蓋范圍，加快數(shù)據(jù)采集的速度[6]。

本數(shù)據(jù)集為從1999年開始，進行上述3種不同林型土壤含水量的野外觀測。但前期數(shù)據(jù)（1999–2001年）由于采樣層次不一致，采樣時間不完善，缺失數(shù)據(jù)較多，因此本數(shù)據(jù)集從2002年2月開始，到2016年6月為止。采用中子儀法定期人工測量森林土壤含水量，記錄中子儀讀數(shù)并換算成土壤體積含水量（%）。每月一次測量輔助觀測場馬尾松林土壤水分、站區(qū)調(diào)查點針闊林I號樣地土壤水分和輔助觀測場針闊林Ⅱ號土壤水分；每5天一次測量綜合觀測場季風常綠闊葉林土壤水分；其中每15 cm土壤厚度為一層進行測量，分別測定15 cm、30 cm、45 cm、60 cm、75 cm和90 cm這6個土壤厚度的土壤含水量，由于實際觀測中深土層土壤條件（如石塊）所限，部分測點90 cm數(shù)據(jù)缺失。

1.4 數(shù)據(jù)加工、處理方法與過程

用中子儀測定土壤含水量是利用中子源放進土壤中時，在源周圍的土壤中所形成慢中子數(shù)量和土壤含水量大小有密切的關系這一特點來實施觀測的[2]。具體的方法是把一個快速中子源和慢中子探測器置于套管中，埋入土內(nèi)。其中的中子源以很高的速度放射出中子，當這些快中子與水中的氫原子碰撞時，就會改變運動的方向，并失去一部分能量而變成慢中子。土壤水越多，氫愈多，產(chǎn)生的慢中子也就越多，慢中子被探測器量出，經(jīng)過校正可求出土壤水的含量[7]。與烘干法相比，中子儀是一種間接的土壤水分觀測方法。中子儀觀測的是土壤體積含水量，便于直接將含水量換算為毫米度量的單位。

中子儀觀測的一般程序主要包括讀取標準讀數(shù)、中子儀讀數(shù)、數(shù)據(jù)輸出3個步驟。

式中，VWC為土壤體積含水量（%）；R是土壤中的中子計數(shù)率；Rw是水體中的中子計數(shù)率；m和c均為常數(shù)，取值分別為12.272和-1.2683。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

鼎湖山典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量數(shù)據(jù)集主要包含的指標見表4。

表4 土壤體積含水量指標

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 質(zhì)量管理體系

CERN長期生態(tài)監(jiān)測是一項野外臺站之間的聯(lián)網(wǎng)共同監(jiān)測計劃[4]，野外臺站對各項生態(tài)指標進行長期觀測，數(shù)據(jù)的管理和質(zhì)量控制則由專業(yè)分中心和綜合中心負責。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量進而實現(xiàn)有效共享，CERN形成了嚴謹?shù)馁|(zhì)量管理體系，通過計劃、執(zhí)行和評估三個步驟，采取前端控制和后端質(zhì)控的管理模式，對數(shù)據(jù)進行審核、檢驗和評估。具體的質(zhì)量管理流程和組織職責如圖1所示。

圖1 CERN三級質(zhì)量管理組織的質(zhì)量管理流程與職責[4]

3.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程質(zhì)量保證和質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程涉及觀測場地管理、場地維護、采樣、現(xiàn)場觀測、室內(nèi)分析、自動檢測以及數(shù)據(jù)錄入過程，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量管理的目標和任務，CERN制定嚴格的控制措施，如長期觀測場地要根據(jù)生態(tài)類型和長期觀測目的保證其典型性；制定專門的場地維護管理制度和維護程序；采樣過程中，制定周密的采樣計劃，明確采樣程序并進行樣品的監(jiān)管等等。

數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程中，質(zhì)量管理責任人顯得非常重要，他們把控著數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程的各個環(huán)節(jié)。因此鼎湖山站歷來重視科研人員的培養(yǎng)及其業(yè)務素質(zhì)的提高，自1999年進入國家試點站以來，鼎湖山站先后派遣年輕科研人員到國外相關大學或研究機構學習和進修，同時鼓勵科研人員積極參加國內(nèi)外的重要學術活動；派遣技術支撐人員積極參加CERN及CNERN（國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡）各分中心的業(yè)務培訓，重點掌握與常規(guī)監(jiān)測相關的設備操作與維護、野外監(jiān)測技術與方法等，確保野外臺站各項監(jiān)測任務的順利進行。

3.3 數(shù)據(jù)檢驗與評估

CERN主要從數(shù)據(jù)的完整性、準確性、一致性等方面檢驗原始觀測數(shù)據(jù)是否滿足監(jiān)測規(guī)范，通過數(shù)據(jù)評估判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量控制組織結構、管理措施等各個環(huán)節(jié)是否合理以及數(shù)據(jù)是否適合共享和使用。鼎湖山站分析數(shù)據(jù)誤差及處理辦法主要是將多年數(shù)據(jù)進行比對，刪除異常值或標注說明。數(shù)據(jù)集中缺少的數(shù)據(jù)以空格表示，數(shù)據(jù)缺少的原因是土層較薄導致中子管入土深度不夠或儀器維修。將烘干法和中子儀法測出的土壤含水量數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)差異大、存在不合理時，及時發(fā)現(xiàn)并糾正測量方法中存在的問題，如重新標定中子儀曲線等，確保數(shù)據(jù)的有效性。

4 數(shù)據(jù)價值

土壤含水量體現(xiàn)系統(tǒng)的水分狀況，反映森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤理化性狀、植被、林內(nèi)小氣候等一系列森林生態(tài)因子。一個地區(qū)土壤含水量數(shù)據(jù)是森林生態(tài)水文學研究者快速了解該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的水文特征的重要參考資料。為了響應數(shù)據(jù)共享的理念，促進科學發(fā)展，本研究公開發(fā)表了2002–2016年鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量的數(shù)據(jù)，建立了便捷查詢的數(shù)據(jù)集。不僅為研究鼎湖山土壤水分含量特征及變化規(guī)律的科研人員提供基礎數(shù)據(jù)，而且為相關的森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水專著的撰寫提供素材[8]。

本數(shù)據(jù)集可應用于氣候、生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源管理等相關領域，也可以考慮在不同的典型區(qū)域、典型陸地生態(tài)系統(tǒng)之間開展多臺站數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)分析，結合數(shù)據(jù)中心長期定位觀測到的生物、土壤等相關數(shù)據(jù)[9]，全方位分析不同生態(tài)因子的長時間變化規(guī)律以及相互之間的耦合機制，為研究不同典型區(qū)域的森林生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的演替變化提供重要資料。使用本數(shù)據(jù)集時需要注意由于臺站儀器故障、土壤采樣的深度不夠等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)缺失問題。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可通過鼎湖山站數(shù)據(jù)資源服務網(wǎng)站（http://dhf.cern.ac.cn/meta/detail/FC012002）查看元數(shù)據(jù)信息，登錄后可直接下載數(shù)據(jù)。或通過 Science Data Bank在線服務網(wǎng)址（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/667）獲取數(shù)據(jù)服務。